专利名称：用于进行石英增强的光声光谱测量的方法和气体传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于对气体进行石英增强的光声光谱测量的方法，所述 石英增强的光声光谱测量使用被配置成将有至少一个波长的激光束引入该气 体内而使得该气体内的至少一个分子被激发产生声信号的光源，在谐振声检 测器中积聚该声信号，并且通过至少一个作为谐振声检观U器的音叉产生与气 体浓度相关的谐振吸收信号。本发明进一步涉及一种光声气体检测器，所 述光声气体检测器通过用来提供与气体的存在或浓度有关的信号的恰当的处 理元件来进行石英增强的光声光谱测量。
背景技术：
这样的方法和气,测器在美国专利申请US 2005/0117155 Al中已经公 开，该专利申请作为参考被引入到本发明中。
一般来讲，对于光声气体传感器有三个基本概念。 非谐振光声气体传感器
这个概念使用近似闭合的气体吸收池和更经常的热光源来测量中红外波 段的气体。斩波频率由热光源限制为不超过100 150Hz。气体吸收池的体积 是无关的，并且可以被最小化；限制在于扩音器等中死体积(dead volume) 的贡献。
谐振光声气体传感器
对于这个概念，光源在气体吸收池的谐振频率时被斩波。在厘米范围内 的气体吸收池的千赫兹范围要求将激光作为光源，并且气体吸收池在谐振波 节的地方可以是敞开的(扩音器放在波腹处)。由于较高的斩波频率，这个概 念的优势是对周围环境噪声很高的抑制(周围环境的贡献减少了 1/f)。这个 概念柳艮制在于用于快速应用的传播时间(通常10 30秒)。
石英增强的光声气体传感器
如美国专利US 2005/0117155 Al公开的，这个概念用谐振扩音器代替了 谐振气体吸收池，并且用宽波段体积空间代替宽波段扩音器。该吸收体积空
间完全不被封闭以致于由气体吸收产生的声波非常弱。这被谐振扩音器的特 别高的品质因数所弥补。典型的方法是使用石英手表的石英音叉作为谐振扩
音器(谐振频率32768Hz)，且使用石英音叉的音叉臂间的空间作为吸收体积 空间。在这个装置中，激光束仅简单地聚焦在石英音叉的音叉臂之间，并且 后者起扩音器的作用。除了极高的传播速率和最小的尺寸(音叉大约10毫米 长，3毫米宽)夕卜，这样的装置还因为石英音叉是石英表的基本元件并且是大 批量生产的原因而非常便宜。
音叉的谐振模式能极大地抑律幌音。气体吸收的声波引发了对称的震动 模式，而任何外部的噪音引发了反对称的震动模式。由于两种模式具有很小 的频率差异以及都具有高的品质因数，因此反对称的贡献不会被信号电子元 件拾取。
在光声测量装置中，具有选定波长的斩波光束被引入气体吸收池或体积 空间内，在那里，目标气体对该光束的吸收产生了声波。该声波被扩音器拾 �。美┮羝鞯男藕庞肫逦粘啬诘钠迮ǘ然旧铣杀壤�。
由于扩音器的信号同时也与气体吸收池内的光强基本上成比例，因此作 为参考信号而使用第二检测装置(通常是红外检测器或光电二极管)随着时 间来监控光源的强度。
在所有的光声气体检测器设计中，光束将最终撞击气体吸收池的结构。 入射到该结构上的光的部分吸收在该结构内产生声波，该第二声波也以与气 体浓度信号相同的频率被扩音器拾取。
这所谓的'壁噪音'因此对扩音器产生了不希望的的抵消贡献，并且当 光源是激光束时该贡献尤其重要。在过去的几年里，为了限制壁噪音对气体 浓度测量的贡献，已经进行了大量的设计努力。
美国专利US 5-A-5159411公开了一种4吏用光声光谱检测气体的方法和设 备，其描述了对在包含有第二气体的气体混合物中的第一气体进行检测的过 程，该第二气体的吸收光谱干扰第一气体的吸收光谱，在第三气体存在下进 行光声测量，该第三气体与第一或第二气体结合显示了动力冷却。在测量中， 通过使有恒定重复频率的脉动激光来影响气体混合物，在这里，激光的频率 逐渐地变化。该测量包含至少一个对作为激光频率函数的光声信号的相进行 的检测。该设备不使用声检测器(更不用说音叉)来测量激光强度，或者更
确切地说是与激光强度成比例的壁噪音。
发明内容
因此本发明的一个目的是提出一种在减少了壁噪音对气体浓度测量的贡
献的情况下针对光声光谱(PAS)的方法和气体检测器。
这个问题是通过所要求的本发明来解决的。详细地，该问题是通过本发 明的方法和通过本发明的气体检测器来解决的。
根据本发明，该方法包含产生与通过气体的激光束的强度成比例的谐振 强度信号，并且从吸收信号和强度信号中提供输出信号，所述输出信号与光 的强度无关，所述光的强度与气体的存在或浓度相关。
壁噪音与光源的强度基本上成比例，并且可因此被用作上面提到的参考 信号。就激光二极管光声气体传感器来讲，使用壁噪音作为强度参考可以因 此去掉参考光电二极管，这有助于实现更低的成本和更小的设备尺寸。
根本的思想是用在音叉上产生的壁噪音替代一般用于激光强度测量的光 电二极管。如果机械调整没有随着时间而变化，则由入射在音叉上的激光束 产生的壁噪音与激光束的强度成比例。这种解决方法针对的是基于带有激光 二极管的石英增强光声学的气体传感器，特别是应用到低成本是至关重要的 地方(例如自动化应用、消费者应用)。通过代替用于激光强度的光电二极管， 光电二极管的成本可以消除或减少。
依靠要被检测的气体，有两种可能将壁噪音信号从气体浓度信号中分离
出来根据在光声光谱中的测量原理，光在特定的谐振声或调制频率下被脉 动或调制以产生一系列声波或光声信号。因此，安装为与环境声交流的声检 测器能够检测由于吸收分子浓度或信号的光激发而产生的变化。因为所吸收 的能量与吸收分子的浓度成比例，因此声信号可以用于浓度测量。因此，为 了检测光声壁噪音，必需提供信号，该信号中的气体贡献尽可能少。因此， 激光束有必要主要入射在用于测量壁噪音的音叉上。这能通过轻微地解谐光 源以使没有气体能被检测来实现。这种解决方法仅对有尖锐吸收线的待检测 气体，例如二氧化碳，是可行的。例如，对没有尖锐吸收线的烃来讲，不可 能解谐激光源从而使得没有气体被检测到。因此，必需使用第二音叉从气体 浓度信号中分离出壁噪音信号，两信号以锁相的关系都有相同的频率。这里， 第一音叉让激光束聚焦在它的音叉臂之间并拾取气体浓度，并且第二音叉优 选放在第一音叉后面，以致激光束主要产生壁噪音而产生极少或不产生气体 浓度信号。第二音叉将会增加成本，该成本远小于光电二极管的成本。
众所周知，为了在一个气体传感器内检测超过一种气体，可能使用超过 一个音叉。因此，需要相应数量的用于检测壁噪音的第二音叉。进一步，将 用于检测壁噪音的第二音叉放在第一音叉前面基本上是可能的，但是，这会 导致强度的损失。因此将第二音叉安排在第一音叉的后面是优选的解决方案。
在一个优选实施例中，为了克服由于制造造成的音叉间较小的谐振频率 差异，测量周期首先是调整到第一音叉的谐振频率来测量气体浓度，且优选 接下来调整到第二音叉的谐振频率来测量激光强度并提供参考信号。参考频 率可以通过检测谐振扩音器的最高声信号来得到。
根据另外一个实施例，光学窗布置在至少一个音叉和至少第二音叉之间， 这避免了气体贡献信号成为第二音叉的参考信号的一部分。
根据另一个优选实施例，使用另一个方法来确保第一音叉拾取最大气体 浓度信号和最小的壁噪音贡献，以及确保第二音叉拾取最小气体浓度信号和 最大的壁噪音。这里，激光束在短焦距上聚焦在位于第一音叉的音叉臂之间 的点上，且第二音叉被安置在第二音叉后足够的距离处。这将会导致与射入 在第二音叉的音叉臂上的光强相比在第二音叉的音叉臂间出现劍氐的光强。
作为光声气体检测器一部分的恰当的处理元件提供了与在检测区域中给 定气体的存在或浓度有关的信号，该检测区域被提供用来接收至少一种样品 气体。该处理元件也对吸收信号及强度信号进行处理，以提供所需的测量信 号。
本发明进一步的特征和优点肖^够从下面对优选实施例和附图的描述中获 得。单独的特征能够在本发明的实施例中单独或结合来实现。附图示出了 图l带有一个音叉的气体传感器的原理框图； 图2带有两个音叉的气体传感器的原理框图； 图3带有光学窗的实施例的原理描述；以及
图4为了提供最大气体浓度和最小壁噪音贡献的布置的原理描述。
具体实施例方式
如上所述，在本发明的光声光谱方法和设备中，从气体吸收的能量积聚
在声检测器中。声检测器的材料是压电晶体石英。在化学上，石英是二氧化 硅，并且当恰当切割时，将机械应力施加于它时将会产生导致电场或电流的 电荷分离，这就是所知的压电效应。由于能够直接通过电信号来监测石英变
形，因此不需要额外的换能器。为此，如US 2005/0117155 Al所公开的，对 于光声光谱，使用谐振频率接近32768Hz的石英音叉。这样的音叉用在石英 钟上，因此可以低成本得到。
图1和2显示了带有用于信号处理的处理元件15的气体传感器的原理。 激光光源l，优选二极管激光器，与作为加热器或冷却器的温度单元7相连， 并以通过检测区域5的激光束2的形式发射光，该检测区域提供用于待测目 标气体的吸收体积空间4。借助于温度单元7设置激光源1的温度，将所述激 光源设置到与感兴趣的吸收特性相对应的波长。激光源1的驱动电流通过由 频率产生器9提供的各自的调整信号来调整。
在图1中，充当声检测器的石英音叉3被布置在吸收体积空间4附近， 激光束2在音叉3的音叉臂8间通过。对于吸收测量，将激光源调谐到待测 气体的吸收频率，这进一步产生了信号SA(吸收信号)，所述信号中包括了与 气体吸收有关的很大贡献。为了提供与激光强度有关的参考信号，激光源2 被解谐以致由石英音叉3产生的谐振信号& (强度信号)中没有气体吸收的 贡献。与图l所示布置不同，图2中的布置j吏用了第二石英音叉6，第二石英 音叉6与第一石英音叉3串联并在第一石英音叉3后面，第二石英音叉6产 生了与激光强度有关的信号作为参考。为此，第二石英音叉6这样放置以致 、激光束2主要入射在该石英音叉的音叉臂上。例如，图l的布置适合检测二 氧化碳，图2的布置适合检测烃。
图1和图2的布置关于处理元件15是相似的。如上所提到的，石英音叉 3提供信号SA， SA与在吸收体积空间4中气体的吸收成比例。在图1的布置 中，石英音叉3也提供强度信号Sp如果激光源被解谐，St与激光源1的光 强成比例。这样，在这个布置中来自石英音叉的信号传给同步开关元件IO。 在根据图2的布置中，强度信号Sz由第二石英音叉6提供。由石英音叉3提 供的吸收信号Sa直接(图2)或通过开关元件10 (图1)传给锁相放大器
12，来将该信号与从调整频率发生器9收到的参考信号SRef相乘并且最
后求该结果信号的积分。来自第二石英音叉6 (图2)的强度信号S1被传给放大器13或来自石英音叉3的强度信号S:通过转换元件10 (图1)被传 给放大器13。来自锁相放大器12和放大器13的信号被传给控制单元14。 在控制单元14中，在经过锁相放大器12处理后的吸收信号sa被经过放大 器14放大后与从光电二极管6来的强度信号S:相除而标准化。结果产生的信 号Sgc是所需的室5中气体浓度的信号。控制单元14进一步将相应的信号ST 提供到温度控制装置8，来将激光源1在其温度处维持在与感兴趣的吸收特征 相对应的波长。
在图3的原理描述中，第二石英音叉6可以通过光学窗11与第一石英音 叉3相分开，这避免了气体贡献信号成为第二石英音叉6的参考信号的一部 分。
图4中显示了另外一种方法，该方法确保石英音叉3拾取最大气体浓度 信号和最小的壁噪音贡献，以及确保石英音叉6拾取最小气体浓度信号和最 大的壁噪音。这里，激光束通过球透镜16在短焦距上聚焦在位于第一音叉3 的音叉臂8之间的点上。将第二音叉6布置在第一音叉3后面足够远的距离 处将会导致与入射在音叉臂8上的光强相比在第二音叉6的音叉臂8间出现 较低的光强。
在整个说明和权利要求中，除了上下文清楚的要求外，否则，词'包含'、 '包含'以及相似的词应该在与排它或穷举相反的包含意义上来解释；也就是 说，在 <包含，但并不限于'的意义上来解释。
权利要求
1、一种用来对气体进行石英增强的光声光谱测量的方法，包括提供光源(1)，所述光源被配置成将具有至少一个波长的激光束(2)引入该气体内以致在该气体内的至少一个分子被激发产生声信号，在谐振声检测器(3)中积聚声信号；通过至少一个作为谐振声检测器的音叉(3)产生谐振吸收信号(SA)，该谐振吸收信号与气体浓度有关，其特征为，另外产生谐振强度信号(SI)，该谐振强度信号与通过气体的激光束(2)的强度成比例，提供输出信号(SGC)，该输出信号来自所述的吸收信号(SA)和所述的谐振强度信号(SI)并且和光的强度无关，与气体的存在或浓度有关，通过使光在所述的至少一个音叉(3)的音叉臂间(8)通过，产生所述的谐振吸收信号(SA)，以及由所述的至少一个音叉(3)通过解谐光源(1)使光主要入射在所述至少一个音叉(3)的音叉臂(8)上，来产生所述的谐振强度信号(SI)；或由至少一个另外的音叉(6)产生所述的谐振强度信号(SI)，所述至少一个另外的音叉与现在作为第一音叉的所述至少一个音叉(3)串联地布置并且优选布置在所述至少一个音叉(3)的后面，使得光主要入射在所述至少一个第二音叉(6)的音叉臂(8)上。
2、 根据t又利要求1的方法，其特征为将光源(1)调谐到所述至少一个第一音叉(3)的谐振频率来测量气体 浓度，以及分开地，优选随后将光源(1)调谐到所述至少一个第二音叉(6)的谐 振频率来测量激光强度。
3、 根据权利要求1或2的方法，其特征为在所述至少一个音叉(3)和所述至少一个第二音叉(6)之间提供光学 窗(11)。
4、 根据前述权利要求2或3中任何一个的方法，其特征为 将光束(2)聚焦在所述至少第一音叉(3)的音叉臂(8)间的点上， 将所述至少一个第二音叉(6)放在所述至少一个第一音叉(3)后面一定距离处，以致在音叉臂(8)间的光强比入射在该音叉臂(8)的壁上的光强低。
5、 一种光声气体检测器，包括 光源(1)，用来提供激光束(2)， 检测区域(5)，用来接收至少一种样品气体，至少一个第一音叉(3)，作为谐振声检测器并提供谐振吸收信号(SA)， 处理元件(15)，用来提供与在所述区域(5)中给定气体的存在或浓度 有关的信号(Sgc)， 其特征为包括至少一个第二音叉(6)，该至少一个第二音叉(6)与所述至少第一 音叉(3)串联地布置并且优选布置在所述至少第一音叉(3)的后面，所述 至少一个第二音叉(6)作为谐振声检测器来提供与通过所述样品气体的激光 束(2)的强度成比例的谐振信号。
6、 根据权利要求5的光声气体检测器，其中所述至少一个第二音叉(6) 与所述激光束(2)之间的相对布置主要提供了谐振强度信号(S》，该谐振强 度信号(&)由入射在所述至少一个第二音叉(6)的音叉臂(8)上的激光束(2)的壁噪音产生。
7、 根据权利要求7的光声检测器，进一步包括光学元件(16)，用来将 激光束(2)聚焦在所述至少第一音叉(3)的音叉臂(8)间的点上。
全文摘要
本发明涉及基于石英增强的光声学的气体传感器，主要用于价格非常低廉的应用。根本的思想是用在音叉上产生的壁噪音替代一般用于激光强度测量的光电二极管。这消除了光电二极管的成本。入射在音叉上的激光束产生的壁噪音与激光束的强度成比例。根据待测气体，可以通过仅使用一个音叉或将第二音叉优选设置在第一音叉后面，将壁噪音信号从气体浓度信号中分离出来。
文档编号G01N21/00GK101358918SQ20081021478
公开日2009年2月4日 申请日期2008年7月24日 优先权日2007年7月24日
发明者A·塞弗特, B·威林, M·科利 申请人:Ir微系统股份有限公司
专业数控铣床产品供应商
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